WO2020089042A1 - Bipolarplatte für eine halbzelle einer elektrochemischen vorrichtung - Google Patents

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WO2020089042A1
WO2020089042A1 PCT/EP2019/079080 EP2019079080W WO2020089042A1 WO 2020089042 A1 WO2020089042 A1 WO 2020089042A1 EP 2019079080 W EP2019079080 W EP 2019079080W WO 2020089042 A1 WO2020089042 A1 WO 2020089042A1
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fluid
bipolar plate
distribution layer
guide elements
fluid distribution
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PCT/EP2019/079080
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Inventor
Dieter Holz
Arne Stephen FISCHER
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate for a half cell of an electrochemical device such.
  • B a PEM, SOFC, high temperature or low temperature fuel cell, an electrolyzer or a redox flow battery.
  • GDL gas diffusion layer
  • DE 10 2012 218 590 A1 describes a bipolar plate for a fuel cell with an open gas distributor structure, which is arranged on a separator plate, the bipolar plate having at least one feed channel and at least one discharge channel, with the gas distributor structure
  • Feed channel are directed to the discharge channel are introduced.
  • a half cell of a fuel cell is defined as two or more series-connected, electrically conductive phases between which charge carriers can be exchanged.
  • One of the final phases is an electron conductor, i.e. H. one electrode, the other an electrolyte.
  • the proton exchange membrane corresponds to the electrolyte, and one
  • Bipolar plate which can be electrically contacted with an electrically conductive fluid distribution layer, represents the electrically conductive phase.
  • the present invention makes it possible to provide a bipolar plate for a half cell of an electrochemical device, which has a first electrically conductive fluid distribution layer for transporting a first fluid flow and a second electrically conductive fluid distribution layer for transporting a second fluid flow.
  • the first fluid distribution layer has channel structures that are open on one side and that are free at least in sections
  • a free cross section is understood to mean that the channels of the channel structures are at least partially smooth and constructed without further obstacles to the fluid flow. Furthermore, the first one
  • the second fluid distribution layer of the bipolar plate has guide elements which are arranged within the second fluid distribution layer in such a way that the fluid flow exchange of the two fluid flows is promoted with a gas diffusion layer which adjoins a second side of the second fluid distribution layer.
  • these guide elements are set up in such a way that the cross section of the guide elements increases in the direction of the first fluid flow.
  • the cross section of the guide structure determines the area that the guide elements occupy perpendicular to the direction of a fluid flow. This means that the cross-section can be achieved both by increasing the area of the guide elements and by twisting or tilting the guide elements. With such guide elements it is achieved that the fluid flow, which in conventional half cells for electrochemical devices is only guided parallel to the layer surface of the gas diffusion layer, is advantageously aligned with the gas diffusion layer. The fluid exchange of the first and the second fluid flow with the gas diffusion layer is thus promoted. In addition, by suitable choice of the width, the angle of attack and the orientation of the guide elements relative to the adjacent channel structures, various
  • Inflows of the gas diffusion layer are realized with the fluid flow of the reaction gases and thus the specific operating conditions e.g. one
  • Fuel cell can be adjusted.
  • the angle of attack is defined according to the angle of attack of an aircraft.
  • the orientation of the guide structures is the twisting of the guide structures out of the fluid flow.
  • the free cross sections of the channel structures become smaller, at least in sections, in the direction of the first fluid flow. This allows a constant pressure drop to be set over the length of the channel structures.
  • the second fluid distribution layer have webs and the guide elements are connected to one another by means of the webs.
  • the webs are arranged or connected to the guide elements in such a way that at least parts of the first fluid flow or parts of the second fluid flow or also both fluid flows are deflected in their direction. This can be achieved, at least for flat guide elements, by making an angle with respect to at least one of the
  • the guide elements are arranged in such a way that at least parts of the first or the second fluid flow are directed in the direction of the gas diffusion layer. As a result, the exchange of fluid flows in the direction of
  • Gas diffusion position reached and thus promoted the supply of reaction gases, which can then diffuse further towards the catalyst layer.
  • the guide elements are arranged in such a way that at least parts of the first or second fluid flow are directed away from the gas diffusion layer. This promotes the exchange of fluid flows out of the gas diffusion layer, which is particularly relevant for water management, since it promotes water transport from the gas diffusion layer into the fluid flows.
  • the guide elements be set up in different subregions of the
  • Fluid distribution layers are increasingly enriched with water or water vapor, so that different process conditions prevail in different areas of the gas diffusion layer, which can be taken into account with this configuration.
  • the geometry of the key elements can have a variety of shapes, such as. B. diamond-shaped, rectangular or triangular shapes.
  • the area of the webs can in addition to a flat surface also curvatures for intensification and
  • the height of the first fluid distribution layer together with the adjacent second fluid distribution layer is in the range from 0.2 mm to 1 mm inclusive.
  • the ratio of the height of the guide elements of the second fluid distribution layer to the clear width of the channel structure can vary. Typical values for this ratio are in the range from 5: 1 to 1: 5.
  • the guide elements can be arranged along the alignment of the channel structures and can therefore be flown laterally by at least some of the fluid streams.
  • the first fluid distribution layer can be realized in the form of an embossed sheet or a sheet formed by another method.
  • Bipolar plate has an expanded metal, and the guide elements are formed by the erected edges of the expanded metal. From an economic point of view, such an embodiment of the invention is easy
  • the second fluid flow of the second fluid distribution layer is deflected in part by the guide elements, in another part there is a fluid flow around the guide elements, such as the raised edges.
  • the web width of the expanded metal and / or the arrangement of the meshes of the expanded metal relative to one another can vary over the extent of the bipolar plate.
  • the expanded metal should on the one hand be as fine as possible and on the other hand a certain structural size is required, for example, for the above-mentioned flow caused by guide elements to the gas diffusion layer. Therefore, depending on the design of the half cell, an optimum must be found.
  • Mesh sizes for the expanded metal range from 0.2 mm to 4 mm.
  • the thickness of the expanded metal must be large enough on the one hand to be able to absorb the forces that occur, and on the other hand it must be as small as possible in order to block as little free cross-section as possible.
  • Typical web thicknesses, i.e. H. Thicknesses of the starting sheet before the expanded metal production are therefore in the range of 0.03 mm and 0.3 mm, the final values themselves being included in the range.
  • the expanded metal can have an irregular structure.
  • the enlargement of the cross sections of the guide elements be set up in such a way that it is associated with the reduction of the cross sections of the channel structures
  • Decrease in the thickness of the first fluid distribution layer is compensated. That is to say the enlargement of the cross sections of the guide elements is set up in such a way that it increases over the entire bipolar plate to the extent that the cross sections of the channel structures decrease in order to maintain a constant when the first fluid distribution layer is arranged on the second fluid distribution layer
  • the channels When using expanded metal, for example, at the beginning of the first fluid distribution layer, the channels could be larger relative to the expanded metal than at the end of the first fluid distribution layer in order to improve water management adapt to the respective requirements.
  • the web width of the expanded metal and / or the arrangement of the meshes of the expanded metal relative to one another could vary over the area of the second fluid distribution layer.
  • the first and second fluid distribution layers are connected to one another in an electrically conductive manner. This results in a low contact resistance, which increases the cell performance or reduces the losses in the cell.
  • first and the second fluid distribution layer by means of a welded connection, a solder connection, a sintered connection, a conductive one
  • Adhesive connection or another method are integrally connected.
  • the second fluid distribution layer is made in one piece from a material.
  • Stainless steel, titanium, nitrided titanium, plastic highly filled with metal particles and / or carbon and mixtures thereof can be used as the material for the second fluid distribution layer.
  • FIGS. 1) to 3) Exemplary embodiments of the invention are shown in FIGS. 1) to 3) and are explained in more detail below. It shows:
  • Figure la is a schematic diagram of a bipolar plate with a first and a second fluid distribution layer
  • Figure lb is a schematic diagram of a bipolar plate with a first and a further second fluid distribution layer
  • Figure 2 is a sketch of a bipolar plate with a first and a second
  • Figure 3a shows a sketch of a conventional contact surfaces
  • Figure 3b shows a sketch of the contact surfaces of the second fluid distribution layer with a gas diffusion layer.
  • the figure la shows a bipolar plate 1 for a half cell
  • electrochemical device comprising a first electrically conductive fluid distribution layer 2 with channel structures open on one side, and a second electrically conductive fluid distribution layer 7, the first
  • Fluid distribution layer 2 directly contacts one side of the second fluid distribution layer 7 with the open side of the channel structures. They have
  • Channel structures of the first fluid distribution layer 2 at least in sections, consistently free cross sections.
  • the first fluid distribution layer 2 is provided around a first
  • Gas diffusion layer which is adjacent to a second side of the second fluid distribution layer, is promoted.
  • the guide elements deflect either the first fluid flow 5a or the second fluid flow 5b or both fluid flows 5a and 5b in such a way that fluid exchange 6a, 6b takes place with the gas diffusion layer 4.
  • the arrows outlined in FIGS. 1a) and 1b) represent this fluid exchange 6a, 6b.
  • the guide elements 3a direct the first fluid flow 5a and / or the second fluid flow 5b in the direction of the gas diffusion layer 4 such that the
  • Fluid exchange between the fluid streams 5a and 5b and gas diffusion layer 4, which adjoins a side of the second fluid distribution layer 7 opposite the first fluid distributor structure 2, is promoted in order to promote the supply of process gases to the gas diffusion layer.
  • the guide element 3a with an edge that is closer to the first fluid distribution layer 2 is the first Fluid flow 5a directed in the opposite direction and with an opposite edge, which is in contact with the gas diffusion layer 4, directed away from the first fluid flow 5a.
  • the first and / or the second fluid stream 5a, 5b is directed towards the gas diffusion layer.
  • the exemplary embodiment of the invention outlined in FIG. 1b) largely corresponds to the exemplary embodiment of FIG. These exemplary embodiments differ only in the arrangement of the guide elements 3b, since the exemplary embodiment in FIG. 1b) has such an arrangement of the guide elements with the fluid flow 5a and 5b that the fluid exchange 6b is primarily directed away from the gas diffusion layer 4. So z. B. the
  • the guide element 3b is directed away from the first fluid flow 5a with an edge which is closer to the first fluid distribution layer 2 and with a
  • FIG. 2 shows how the fluid exchange 6 a through the
  • Guide elements 3a in the direction of the gas diffusion layer 4 is conveyed when the cross section of the guide elements 3a increases in the direction of the second fluid flow 5b.
  • Figures la) and lb) indicate that the free cross-sections at least in sections in the direction of the first fluid flow 5a become smaller over the entire length of the channel structures.
  • the structure of the bipolar plate 1 from FIG. 2 corresponds to the structure of FIG. 1a), but with the difference that in this exemplary embodiment the cross section of the guide elements 3a in the second fluid distribution layer 7 increases in the direction of the second fluid flow 5b.
  • an increase in the cross section of the guide elements 3a means that the length of the guide elements 3a increases.
  • the cross section of the guide elements 3a in the direction of the first fluid flow 5b increases to the same extent as the cross section of the channel structure 2 decreases in the direction of the first fluid flow 5a.
  • Guide elements 3a, 3b, or the lengths of the guide elements to the depths of the channels, are adapted in accordance with the operating conditions of the fuel cell.
  • a web 8 is sketched in FIG. 2, which connects the guide elements 3a to one another.
  • water is formed on the cathode side from the H + ions diffusing through the membrane and 0 2 .
  • the water formed must be in the direction of the air channels in the gas diffusion layer
  • FIG. 3a shows the relatively large contact areas 9 between a channel structure open on one side of one conventional bipolar plate with a gas diffusion layer 11.
  • Contact surface 9 results from the web surface of an open on one side
  • This contact surface leads to a deformation of the
  • FIG. 3b shows a section through the contact area between a guide structure 3a, 3b according to the invention of the second fluid distribution layer 7 with the guide elements 3a, 3b and an adjacent gas diffusion layer 12. It can be seen that the guide structures 3a, 3b significantly smaller
  • the construction of the bipolar plate 1 is for use in the
  • cathode side of a fuel cell or another electrochemical device can also be used on the anode side.
  • the water discharge from the gas diffusion layer 4 is not as critical as on the cathode side, but a good flow against the
  • Gas diffusion layer 4 can also be advantageous here for the supply of process gas.

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Abstract

Bipolarplatte (1) für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung, aufweisend: eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (2) zum Transport eines ersten Fluidstroms (5a), die einseitig offene Kanalstrukturen mit zumindest abschnittsweise freien Querschnitten aufweist, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (7) zum Transport eines zweiten Fluidstroms (5b), die Leitelemente (3a, 3b) aufweist, wobei die offenen Seiten der Kanalstrukturen an einer ersten Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angeordnet ist; die Leitelemente (3a, 3b) dergestalt innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angeordnet sind, dass ein Fluidaustausch (6a, 6b) der beiden Fluidströmen (5a, 5b) mit einer Gasdiffusionslage (4), die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angrenzt, gefördert wird; und wobei Querschnitte der Leitelemente (3a, 3b) in Richtung des ersten Fluidstroms (5a), zumindest abschnittsweise über die Länge der Kanalstrukturen hinweg, größer werden.

Description

Beschreibung
Titel:
Bipolarplatte für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung wie z. B. einer PEM-, SOFC-, Hochtemperatur oder Niedertemperatur - Brennstoffzelle, einem Elektrolyseur oder einer Redox- Flow- Batterie.
Stand der Technik
Bei der Weiterentwicklung insbesondere von PEM-Brennstoffzellen, d. h. einer Protonen-Austausch- Membran- Brennstoffzelle (PEM; für Englisch„proton- exchange-membran“), zur höheren Leistungsabgabe kommt dem
Wassermanagement in der Kathodenhalbzelle eine besondere Bedeutung zu. Üblicherweise gewährleistet eine Gasdiffusionslage, GDL, eine Verteilung von Reaktionsgasen unter die Stegbereiche von kanalförmigen Fluidverteilern und unterstützt auch dort das notwendige Wassermanagement zwischen der Membran und dem Fluidstrom.
Die DE 10 2012 218 590 Al beschreibt eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einer offenen Gasverteilerstruktur, die auf einer Separatorplatte angeordnet ist, wobei die Bipolarplatte zumindest einen Zuführungskanal und zumindest einen Ableitungskanal aufweist, wobei in die Gasverteilerstruktur
Strömungsleitelemente zur Ausbildung von Strömungskanälen, die vom
Zuführungskanal zum Ableitungskanal gerichtet sind, eingebracht sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bipolarplatte der
gattungsgemäßen Art anzugeben, die den Aufbaue einer Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung optimiert, deren Wassermanagement verbessert und kostengünstig herstellbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Bipolarplatte gemäß den Merkmalen des
unabhängigen Anspruchs 1 angegeben, die zumindest zum Teil die genannten Aufgaben löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Eine Halbzelle einer Brennstoffzelle wird definiert als aus zwei oder mehreren in Serie geschalteten, elektrisch leitenden Phasen, zwischen denen Ladungsträger ausgetauscht werden können. Eine der Endphasen ist ein Elektronenleiter, d. h. eine Elektrode, die andere ein Elektrolyt. Bei einer PEM-Brennstoffzelle entspricht die Protonen- Austausch- Membran dem Elektrolyt, und eine
Bipolarplatte, die mit einer elektrisch leitfähigen Fluidverteilerschicht elektrisch kontaktierbar ist, stellt die elektrisch leitende Phase dar.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, eine Bipolarplatte für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung bereitzustellen, die eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht zum Transport eines ersten Fluidstroms, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht zum Transport eines zweiten Fluidstroms aufweist. Dabei weist die erste Fluidverteilungsschicht einseitig offene Kanalstrukturen mit zumindest abschnittsweise freien
Querschnitten auf. Unter einem freien Querschnitt wird verstanden, dass die Kanäle der Kanalstrukturen zumindest abschnittsweise glatt und ohne weitere Hindernisse für den Fluidstrom aufgebaut sind. Weiterhin ist die erste
Fluidverteilungsschicht mit den offenen Seiten der Kanalstrukturen an einer ersten Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angeordnet. Wobei die zweite Fluidverteilungsschicht der Bipolarplatte Leitelemente aufweist, die dergestalt innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht angeordnet sind, dass der Fluidstromaustausch der beiden Fluidströme mit einer Gasdiffusionslage, die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angrenzt, gefördert wird. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind diese Leitelemente so eingerichtet, dass der Querschnitt der Leitelemente in Richtung des ersten Fluidstroms größer wird.
Der Querschnitt der Leitstruktur bestimmt die Fläche, die die Leitelemente senkrecht zur Richtung eines Fluidstroms einnehmen. Das heißt, der Querschnitt kann sowohl durch die Vergrößerung der Fläche der Leitelemente erreicht werden als auch durch eine Verdrehung oder Verkippung der Leitelemente. Mit solchen Leitelementen wird erreicht, dass der Fluidstrom, der bei konventionellen Halbzellen für elektrochemische Vorrichtungen nur parallel zur Schichtoberfläche der Gasdiffusionslage geführt wird, vorteilhaft auf die Gasdiffusionslage ausgerichtet wird. Somit wird der Fluidaustausch des ersten und des zweiten Fluidstroms mit der Gasdiffusionslage gefördert. Außerdem können, durch geeignete Wahl der Breite, des Anstellwinkels und der Ausrichtung der Leit elemente relativ zu den anliegenden Kanalstrukturen, verschiedene
Anströmungen der Gasdiffusionslage mit dem Fluidstrom der Reaktionsgase realisiert und damit den spezifischen Betriebsbedingungen z.B. einer
Brennstoffzelle angepasst werden. Dabei ist der Anstellwinkel entsprechend dem Anstellwinkel eines Flugzeuges definiert. Die Ausrichtung der Leitstrukturen ist die Verdrehung der Leitstrukturen aus der Fluidströmung heraus.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die freien Querschnitte der Kanalstrukturen zumindest abschnittsweise in Richtung des ersten Fluidstroms kleiner werden. Damit kann ein konstanter Druckabfall über die Länge der Kanalstrukturen eingestellt werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die zweite Fluidverteilungsschicht Stege aufweist und die Leitelemente mittels der Stege miteinander verbunden sind. Die Stege sind so angeordnet bzw. mit den Leitelementen verbunden, dass zumindest Teile des ersten Fluidstroms oder Teile des zweiten Fluidstroms oder auch beide Fluidströme in ihrer Richtung umgelenkt werden. Dies kann zumindest für flächige Leitelemente dadurch erreicht werden, dass sie einen Winkel gegenüber zumindest einem der
Fluidströme einnehmen. Diese Umlenkung der Fluidströme ermöglicht den Fluidaustausch an der Grenzfläche zwischen der zweiten Fluidverteilerschicht und der Gasdiffusionslage so zu fördern, wie die Betriebsbedingungen z. B. der Brennstoffzelle es erfordern, um den Wasserhaushalt und die Versorgung mit dem Reaktionsgas zu gewährleisten.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in die Richtung auf die Gasdiffusionslage hingelenkt werden. Hierdurch wird der Austausch der Fluidströme in Richtung der der
Gasdiffusionslage erreicht und somit die Versorgung mit Reaktionsgasen gefördert, das dann weiter in Richtung auf die Katalysatorschicht diffundieren kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms von der Gasdiffusionslage weg gelenkt werden. Damit wird der Austausch der Fluidströme aus der Gasdiffusionslage heraus gefördert, was besonders für das Wassermanagement relevant ist, da es den Wassertransport von der Gasdiffusionslage in die Fluidströme hinein fördert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Leitelemente eingerichtet sind, in unterschiedlichen Teilbereichen der
Bipolarplatte zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in unterschiedliche Richtungen zu lenken. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass die Förderung des Austausches des Fluidstroms mit der Gasdiffusionslage den unterschiedlichen Bedingungen über die Halbzellenfläche angepasst werden kann. Im Betrieb z. B. einer Brennstoffzelle wird das Prozessgas von einem Einlass in die Fluidverteilungsschichten bis zu einem Auslass aus den
Fluidverteilungsschichten immer weiter mit Wasser oder Wasserdampf angereichert, so dass in unterschiedlichen Bereichen der Gasdiffusionslage unterschiedliche Prozessbedingungen herrschen, die mit dieser Ausgestaltung berücksichtigt werden können.
Die Geometrie der Leitelemete kann vielfältige Formen aufweisen, wie z. B. rautenförmige, rechteckige oder dreieckige Formen. Die Fläche der Stege kann neben einer ebenen Fläche auch Krümmungen zur Intensivierung und
Anpassung des Fluidaustausches mit der Gasdiffusionslage aufweisen.
Typischerweise liegt die Höhe der ersten Fluidverteilungsschicht zusammen mit der angrenzenden zweiten Fluidverteilungsschicht im Bereich von einschließlich 0,2 mm bis einschließlich 1 mm. Das Verhältnis Höhe der Leitelemente der zweiten Fluidverteilungsschicht zu der lichten Weite der Kanalstruktur kann variieren. Typische Werte für dieses Verhältnis sind der Bereich von 5:1 bis 1:5.
Die Leitelemente können entlang der Ausrichtung der Kanalstrukturen angeordnet sein und somit seitlich von zumindest einem Teil der Fluidströme angeströmt werden. Die sehr fein strukturierte Kontaktfläche der so
ausgerichteten Leitelemente ist vorteilhaft für das Wassermanagement mit der Gasdiffusionslage. Außerdem resultiert ein geringer Druckverlust in den darunter liegenden Kanälen, da die Gasdiffusionslage nicht in den Kanalquerschnitt rein ragt. Die Summe aus Kanalbreite und Stegbreite, die sogenannte„Wellenlänge“ der ersten Fluidverteilungsschicht, kann dabei 0,8 mm bis 3 mm betragen. Die Kanalhöhe inklusive der Plattendicke kann typischerweise ca. 0,1 mm bis 1 mm betragen. Die erste Fluidverteilungsschicht kann in Form eines geprägten oder mit einem anderen Verfahren umgeformten Bleches realisiert sein.
Entsprechend einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die
Bipolarplatte ein Streckmetall aufweist, und die Leitelemente durch die aufgestellten Kanten des Streckmetalls gebildet werden. Aus wirtschaftlicher Sicht ist eine solche Ausgestaltung der Erfindung wegen der leichten
Verfügbarkeit und der geringen Kosten sehr vorteilhaft.
Der zweite Fluidstrom der zweiten Fluidverteilungsschicht wird zu einem Teil von den Leitelementen abgelenkt, zu einem anderen Teil erfolgt ein Fluidstrom um die Leitelemente , wie die aufgestellten Kanten z. B. eines Streckmetalls, herum und somit parallel zur Gasdiffusionslage.
Sofern die Leitstruktur ein Streckmetall aufweist, kann sowohl die Aufteilung der Höhe zwischen Streckmetall und Kanalstruktur als auch die genaue Ausprägung, wie die Maschengröße, Stegbreite, Anstellwinkel, Ausrichtung der Maschen zueinander bzw. Maschenversatz oder Ausrichtung des Streckmetalls über den Bereich der Fluidverteilungsschichten variieren. Damit können Anpassungen an die Erfordernisse des Wassermanagements erfolgen.
Daneben können die Stegbreite des Streckmetalls und/oder die Anordnung der Maschen des Streckmetalls relativ zueinander über die Ausdehnung der Bipolarplatte variieren.
Um eine möglichst homogene und offene Auflage auf der Gasdiffusionslage zu realisieren, soll das Streckmetall einerseits möglichst fein sein und andererseits ist beispielsweise für die genannte, durch Leitelemente bedingte Anströmung der Gasdiffusionslage eine gewisse Strukturgröße erforderlich. Daher muss je nach Auslegung der Halbzelle ein Optimum gefunden werden. Typische
Maschenweiten für das Streckmetall liegen im Bereich von 0,2 mm bis 4 mm. Die Dicke des Streckmetalls muss einerseits groß genug sein, um die auftretenden Kräfte auffangen zu können, und andererseits möglichst klein sein, um möglichst wenig freien Querschnitt zu verbauen. Typische Stegdicken, d. h. Dicken des Ausgangsblechs vor der Streckmetallherstellung, liegen somit im Bereich von 0,03 mm und 0,3 mm, wobei die Endwerte selbst vom Bereich umfasst sind. Weiterhin kann das Streckmetall eine unregelmäßige Struktur aufweisen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Vergrößerung der Querschnitte der Leitelemente so eingerichtet ist, dass die mit der Verkleinerung der Querschnitte der Kanalstrukturen verbundene
Abnahme der Dicke der ersten Fluidverteilungsschicht kompensiert wird. Das heißt die Vergrößerung der Querschnitte der Leitelemente wird so eingerichtet, dass sie über die gesamte Bipolarplatte in dem Maße größer wird, wie die Querschnitte der Kanalstrukturen abnehmen, um beim Anordnen der ersten Fluidverteilerschicht an die zweite Fluidverteilerschicht eine konstante
Gesamtschichtdicke zu erhalten.
Bei der Verwendung von Streckmetall beispielsweise könnten am Anfang der ersten Fluidverteilungsschicht die Kanäle relativ zum Streckmetall größer sein als am Ende der ersten Fluidverteilungsschicht, um das Wassermanagement den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. Zusätzlich kann die Stegbreite des Streckmetalls und/oder die Anordnung der Maschen des Streckmetalls relativ zueinander könnten über die Fläche der zweiten Fluidverteilungsschicht hinweg variieren.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Fluidverteilungsschicht elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Damit erreicht man einen geringen Kontaktwiderstand, was die Zellleistung erhöht bzw. die Verluste in der Zelle verringert.
Es wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Fluidverteilungsschicht mittels einer Schweißverbindung, einer Lotverbindung, einer Sinterverbindung, einer leitfähigen
Klebstoffverbindung oder einer anderen Methode stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Es wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die zweite Fluidverteilungsschicht aus einem Werkstoff einstückig gefertigt ist. Dabei kann als Werkstoff für die zweite Fluidverteilungsschicht Edelstahl, Titan, nitridiertes Titan, mit Metallpartikeln und/oder Kohlenstoff hochgefüllter Kunststoff und Mischungen daraus verwendet werden.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1) bis 3) dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
Figur la eine Prinzipskizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten Fluidverteilungsschicht;
Figur lb eine Prinzipskizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer weiteren zweiten Fluidverteilungsschicht;
Figur 2 eine Skizze einer Bipolarplatte mit einer ersten und einer zweiten
Fluidverteilungsschicht mit veränderlichen Leitelementen; Figur 3a eine Skizze einer konventionellen Kontaktflächen einer
Kanalstruktur direkt mit einer Gasdiffusionslage; und
Figur 3b eine Skizze der Kontaktflächen der zweiten Fluidverteilungsschicht mit einer Gasdiffusionslage.
Die Figur la) zeigt eine Bipolarplatte 1 für eine Halbzelle einer
elektrochemischen Vorrichtung, umfassend eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 2 mit einseitig offenen Kanalstrukturen, und eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht 7, wobei die erste
Fluidverteilungsschicht 2 mit der offenen Seite der Kanalstrukturen eine Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 direkt kontaktiert. Dabei haben die
Kanalstrukturen der ersten Fluidverteilungsschicht 2 zumindest abschnittsweise durchgängig freie Querschnitte.
Die erste Fluidverteilungsschicht 2 ist vorgesehen, um einen ersten
Fluidstrom 5a zu transportieren, und die zweite Fluidverteilungsschicht 7 ist vorgesehen, um einen zweiten Fluidstrom 5b zu transportieren. Innerhalb der zweiten Fluidverteilungsschicht sind Leitstrukturen dergestalt angeordnet, dass ein Fluidaustausch zwischen den beiden Fluidströmen und einer
Gasdiffusionslage, die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht angrenzt, gefördert wird. Das heißt, durch die Leitelemente wird entweder der erste Fluidstrom 5a oder der zweite Fluidstrom 5b oder beide Fluidströme 5a und 5b so abgelenkt, dass ein Fluidaustausch 6a, 6b mit der Gasdiffusionslage 4 erfolgt. Die in der Figur la) und lb) skizzierten Pfeile stellen diesen Fluid austausch 6a, 6b dar.
Die Leitelemente 3a lenken den ersten Fluidstrom 5a und/oder den zweiten Fluidstrom 5b derart in Richtung der Gasdiffusionslage 4, dass der
Fluidaustausch zwischen den Fluidströmen 5a und 5b und Gasdiffusionslage 4, die an eine der ersten Fluidverteilerstruktur 2 gegenüberliegende Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 angrenzt, gefördert wird, um die Versorgung der Gasdiffusionslage mit Prozessgasen zu fördern. Dazu ist das Leitelement 3a mit einer Kante, die der ersten Fluidverteilerschicht 2 näher ist, dem ersten Fluidstrom 5a entgegen gerichtet und mit einer gegenüberliegenden Kante, die mit der Gasdiffusionsschicht 4 in Kontakt steht, von dem ersten Fluidstrom 5a weggerichtet. Dadurch wird der erste oder/und der zweite Fluidstrom 5a, 5b auf die Gasdiffusionsschicht hingelenkt.
Das in der Figur lb) skizzierte Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht in weiten Teilen dem Ausführungsbeispiel der Figur la). Nur in der Anordnung der Leitelemente 3b unterscheiden sich diese Ausführungsbeispiele, denn das Ausführungsbeispiel der Figur lb) weist eine solche Anordnung der Leitelemente mit dem Fluidstrom 5a und 5b auf, dass hier der Fluidaustausch 6b vornehmlich von der Gasdiffusionslage 4 weggerichtet wird. Damit kann z. B. der
Wassertransport aus der Gasdiffusionslage heraus gefördert werden. Dazu ist das Leitelement 3b mit einer Kante, die der ersten Fluidverteilerschicht 2 näher ist, von dem ersten Fluidstrom 5a weg gerichtet und mit einer
gegenüberliegenden Kante, die mit der Gasdiffusionsschicht 4 in Kontakt steht, dem ersten Fluidstrom 5a entgegen gerichtet. Dadurch wird der erste oder/und der zweite Fluidstrom 5a, 5b von der Gasdiffusionsschicht 4 weggelenkt.
In Erweiterung des Ausführungsbeispiels der Bipolarplatte 1 für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung der Figur la) zeigt das in der Figur 2 skizzierte Ausführungsbeispiel, wie der Fluidaustausch 6a durch die
Leitelemente 3a in Richtung auf die Gasdiffusionslage 4 gefördert wird, wenn der Querschnitt der Leitelemente 3a in Richtung des zweiten Fluidstroms 5b größer wird. Die Figuren la) und lb) deuten an, dass die zumindest abschnittsweise durchgängig freie Querschnitte in Richtung des ersten Fluidstroms 5a über die gesamte Länge der Kanalstrukturen hinweg kleiner werden.
Der Aufbau der Bipolarplatte 1 aus der Figur 2 entspricht dem Aufbau der Figur la), jedoch mit dem Unterschied, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der Querschnitt der Leitelemente 3a in der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 in Richtung des zweiten Fluidstromes 5b zunimmt. In der Seitenansicht auf die Bipolarplatte 1 bedeutet in diesem Beispiel eine Zunahme des Querschnittes der Leitelemente 3a, dass die Länge der Leitelemente 3a zunimmt. Dabei wird der Querschnitt der Leitelemente 3a in Richtung des ersten Fluidstroms 5b in dem gleichen Maß größer, wie der Querschnitt der Kanalstruktur 2 in Richtung des ersten Fluidstroms 5a abnimmt. Mittels dieser angepassten Veränderungen der Abmessungen von Kanalquerschnitt und Querschnitt der Leitelemente wird erreicht, dass die aneinandergefügten ersten und zweiten Fluidverteilerschichten 2 und 7, trotz des veränderlichen Kanalquerschnittes eine konstante Gesamt schichtdicke aufweisen und somit für die ebene Aneinanderreihung von
Halbzellen geeignet sind. Durch diese Veränderung des Querschnittes der Leitelemente 3a über die Länge der Fluidverteilungsschicht 7 wird erreicht, dass der Fluidaustausch 6a entsprechend dem Verbrauch der Prozessgase über die Brennstoffzellenfläche angepasst werden kann. Dabei kann das Verhältnis der Querschnitte der offenen Kanalstrukturen 2 zu den Querschnitten der
Leitelemente 3a, 3b, bzw. die Längen der Leitelemente zu den Tiefen der Kanäle, entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle angepasst werden.
Bei Ausrichtung der Leitelemente 3a, 3b mit der in Richtung der ersten
Fluidverteilungsschicht gerichteten Kante von den Fluidströmen 5a, 5b weg, wird der Wasseraustrag aus der Gasdiffusionslage 4 gefördert. Damit lässt sich kompensieren, dass die Wassermenge im Fluidstrom über die
Brennstoffzellenfläche im Betrieb zunimmt. In der Figur 2 ist ein Steg 8 skizziert, der die Leitelemente 3a miteinander verbindet.
Beim Betrieb einer Brennstoffzelle wird auf der Kathodenseite aus den durch die Membran diffundierenden H+-lonen und 02 Wasser gebildet. Das gebildete Wasser muss die Gasdiffusionslage in Richtung der Luftkanäle in der
Bipolarplatte verlassen und wird dort mit dem Luftstrom abtransportiert. Durch die auf der Gasdiffusionslage aufliegenden Stegen der Bipolarplatte wir dieser Prozess allerdings behindert und es kann zu Wasseransammlungen kommen, die die Gasdiffusion in der Gasdiffusionslage sowie die H+-Diffusion durch die Membran behindern und somit den Betrieb der Brennstoffzelle stören. Dieser Effekt wird bei konventioneller Auslegung der Brennstoffzelle durch die Breite der auf die Gasdiffusionslage aufliegenden Stege der Kanalstruktur der Bipolar platte bestimmt und kann unter anderem durch Verringerung der Stegbreite reduziert oder aufgehoben werden.
Die Figur 3a) zeigt für eine konventionell ausgelegte Brennstoffzelle die relativ großen Kontaktflächen 9 zwischen einer einseitig offenen Kanalstruktur von einer konventionellen Bipolarplatte mit einer Gasdiffusionslage 11. Diese
Kontaktfläche 9 resultiert aus der Stegfläche einer einseitig offenen
Kanalstruktur. Diese Kontaktfläche führt zu einer Verformung der
Gasdiffusionslage und einem Eindringen der einzelnen Kohlenstofffasern der Gasdiffusionslage in die Kanalstruktur der Bipolarplatte. Folglich verringert sich der effektive, für die Medienverteilung zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt. Dieser Effekt ist insbesondere auf der Kathodenseite kritisch, da in der verwendeten Luft nur ca. 20 % Sauerstoff vorhanden sind und somit ein deutlich höherer Gesamtgasstrom als auf der Anoden- bzw. Wasserstoffseite benötigt wird, wo nahezu reiner Wasserstoff eingeleitet wird.
Die Figur 3b) zeigt einen Schnitt durch die Kontaktfläche zwischen einer erfindungsgemäßen Leitstruktur 3a, 3b der zweiten Fluidverteilungsschicht 7 mit den Leitelementen 3a, 3b und einer angrenzenden Gasdiffusionslage 12. Man erkennt, dass durch die Leitstrukturen 3a, 3b wesentlich kleinere
Einzelkontaktflächen mit der Gasdiffusionslage 12 entstehen, wodurch mögliche Wasseransammlungen, die unterhalb von solchen Kontaktflächen auftreten können, eine viel kleinere Einzelfläche betreffen und daher viel einfacher von der Fluidströmung 5a, 5b aufgelöst werden können, und somit die Brennstoffzelle nicht so stark in ihrer Funktion stören können. Mit den gepunkteten Umrisslinien ist auch skizziert, dass ein Teil der Leitelemente in der offenen Kanalstruktur enden kann.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Bipolarplatte 1 ist zum Einsatz in der
Kathodenseite einer Brennstoffzelle oder einer anderen elektrochemischen Vorrichtung gedacht, sie kann aber auch zusätzlich auf der Anodenseite zum Einsatz kommen. Hier ist der Wasseraustrag aus der Gasdiffusionslage 4 nicht so kritisch wie auf der Kathodenseite, aber eine gute Anströmung der
Gasdiffusionslage 4 kann auch hier vorteilhaft für die Prozessgasversorgung sein.

Claims

Ansprüche
1. Bipolarplate (1) für eine Halbzelle einer elektrochemischen Vorrichtung, aufweisend:
eine erste elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (2) zum Transport eines ersten Fluidstroms (5a), die einseitig offene Kanalstrukturen mit zumindest abschnitsweise freien Querschniten aufweist, und
eine zweite elektrisch leitfähige Fluidverteilungsschicht (7) zum Transport eines zweiten Fluidstroms (5b), die Leitelemente (3a, 3b) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass die offenen Seiten der Kanalstrukturen an einer ersten Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angeordnet ist;
die Leitelemente (3a, 3b) dergestalt innerhalb der zweiten Fluidverteilungs schicht (7) angeordnet sind, dass ein Fluidaustausch (6a, 6b) der beiden Fluidströmen (5a, 5b) mit einer Gasdiffusionslage (4), die an eine zweite Seite der zweiten Fluidverteilungsschicht (7) angrenzt, gefördert wird; und wobei Querschnite der Leitelemente (3a, 3b) in Richtung des ersten
Fluidstroms (5a), zumindest abschnitsweise über die Länge der Kanalstrukturen hinweg, größer werden.
2. Bipolarplate (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnite der Kanalstrukturen in Richtung des ersten Fluidstroms (5a), zumindest abschnitsweise über die Länge der Kanalstrukturen hinweg, kleiner werden;
3. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluidverteilungsschicht Stege (8) aufweist, und die Leitelemente (3a, 3b) über die Stege (8) miteinander verbunden sind, und so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms umgelenkt werden.
4. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (3a, 3b) so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in Richtung auf die Gasdiffusionslage (4) hingelenkt werden.
5. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (3a, 3b) so angeordnet sind, dass zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms von der
Gasdiffusionslage (4) weggelenkt werden.
6. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (3a, 3b) eingerichtet sind, in
unterschiedlichen Teilbereichen der Bipolarplate (1) zumindest Teile des ersten oder des zweiten Fluidstroms in unterschiedliche Richtungen zu lenken.
7. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplate ein Streckmetall aufweist, und die Leitelemente (3a, 3b) durch die aufgestellten Kanten des Streckmetalls gebildet werden.
8. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung der Querschnite der Leitelemente (3a, 3b) so eingerichtet ist, dass sie in dem Maße größer werden, dass die erste Fluidverteilerschicht (2) angeordnet an die zweite Fluidverteilerschicht (7) eine konstante Gesamtschichtdicke aufweist.
9. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluidverteilungsschicht (2) und die zweite Fluidverteilungsschicht (7) mitels einer Schweißverbindung, einer Lotverbindung, einer Sinterverbindung, einer leitfähigen Klebstoffverbindung oder stoffschlüssig mit einer anderen Verbindungstechnik verbunden sind.
10. Bipolarplate (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluidverteilungsschicht (7) einstückig aus einem Werkstoff gefertigt ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20080318111A1 (en) * 2007-06-21 2008-12-25 Coretronic Corporation Fuel cell
DE102012218590A1 (de) 2012-10-12 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Bipolarplatte mit einer offenen Gasverteilerstruktur mit integrierten Strömungsleitstrukturen

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